Застосування фотоефекту » mozok.click
 

mozok.click » Фізика » Застосування фотоефекту
Інформація про новину
  • Переглядів: 429
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 22:41
12-02-2018, 22:41

Застосування фотоефекту

Категорія: Фізика

Внутрішній фотоефект. У 1873 р. англійські електрики А. Мей і У. Сміт, досліджуючи провідний кабель із селену, помітили, що під час освітлення його опір зменшується.

Пригадаємо, що селен належить до напівпровідників. Оскільки у звичайних умовах у напівпровідників дуже мало вільних носіїв зарядів (електронів і дірок), напівпровідники мають великий питомий опір. Проте у напівпровідниках валентні електрони порівняно слабко зв’язані з атомами і, діставши надлишкову енергію під час опромінення, вони можуть відірватись від атомів і перейти у вільний стан.

Подальші дослідження показали, що подібні процеси можуть відбуватись не тільки у напівпровідниках. Спостережуване явище отримало назву внутрішнього фотоефекту.

Внутрішній фотоефект - явище перерозподілу електронів за енергетичними станами в рідинах і твердих тілах внаслідок поглинання ними електромагнітного випромінювання.

На відміну від зовнішнього фотоефекту опромінені електрони залишаються в тілі, але переходять у якісно новий енергетичний стан - стають «вільними», утворюючи пару «електрон-дірка». Таким чином, внаслідок опромінення напівпровідника чи діелектрика в них збільшується концентрація вільних носіїв заряду, а отже, підвищується провідність.

Застосування фотоефекту. Відкриття явища фотоефекту мало велике значення для кращого розуміння природи світла. Але цінність науки полягає не лише в тому, що вона з’ясовує складну і багатогранну будову навколишнього середовища, айв тому, що наука дає нам в руки засоби, за допомогою яких можна удосконалювати виробництво, поліпшувати умови матеріального і культурного життя. Широкого практичного використання набули фотоелементи із зовнішнім фотоефектом та напівпровідникові фотоелементи з внутрішнім фотоефектом.

Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом - це вакуумні прилади для одержання фотострумів. Найпростіший вакуумний фотоелемент є скляним балоном, майже вся внутрішня поверхня якого покрита світлочутливим шаром металу, котрий відіграє роль фотокатода (мал. 270). Відкритим є невелика частина для доступу світла. Анодом є металеве кільце, закріплене в центрі балона.



 

За умови освітлення катода з нього вибиваються електрони і в колі виникає електричний струм. Фотоелементи широко використовуються для автоматизації різних процесів. У поєднанні з електричними підсилювачами фотоелементи входять до складу різних фотореле - пристроїв автоматичного керування, які вико

ристовують безінерційність фотоефекту, тобто здатність фотоелемента практично миттєво реагувати на світловий вплив чи його зміну. Це дає змогу створювати різноманітні апарати, які «стежать» за освітленістю вулиць, своєчасно запалюють і гасять бакени на річках, працюють «контролерами* в метро, рахують готову продукцію, контролюють якість обробки деталей тощо.

До напівпровідникових фотоелементів з внутрішнім фотоефектом належать фотоопори (фоторезистори), фотодіоди, сонячні батареї та ін. (Принцип дії деяких із цих пристроїв ми розглянули під час вивчення напівпровідникових приладів (§ 18).)

Пристрої, дія яких ґрунтується на використанні фотопровідності напівпровідників, називаються фотоопорами (фоторезис торами). їх застосовують для автоматичного керування електричними колами за допомогою світлових сигналів. На відмінну від фотоелементів фоторезистори можна використовувати в колах змінного струму, оскільки їх електричний опір не залежить від напряму струму.

Виготовляючи фоторезистори, тонкий шар напівпровідника наносять на ізолятор з електродами і покривають плівкою прозорого лаку. Виготовляти фоторезистори із цільного напівпровідника немає потреби, оскільки випромінювання проникає в напівпровідник лише на невелику глибину. Як матеріал для фоторезисторів використовують кремній, селен, сірчатий вісмут тощо. Кожен з цих матеріалів має свої особливості, які визначають галузь його застосування. 


Переваги фоторезисторів: висока чутливість, великий строк служби, малі розміри, простота виготовлення, можливість вибору фотоматеріалів. Недоліки: відсутність прямої пропорційності між струмом у колі та інтенсивністю освітлення, вплив на величину опору температури навколишнього середовища, інерційність. Останній недолік пояснюється тим, що електрони і дірки після припинення освітлення починають рекомбінувати, тому в умовах швидких змін світлового потоку провідність провідника не встигає слідувати за цими змінами.

Сонячні батареї- це фотоелементи із внутрішнім фотоефектом, які перетворюють енергію світла в електричну, наприклад кремнієві фотоелементи (мал. 271).

Елемент кремнієвої сонячної батареї - це пластина кремнію л-типу, оточена шаром кремнію p-типу товщиною близько одного мікрометра, з контактами для приєднання зовнішнього кола.

Під час освітлення поверхні елемента в тонкому зовнішньому шарі р-тину генеруються пари «електрон-дірка», більшість яких, не встигнувши рекомбінувати внаслідок малої товщини шару, потрапляє в р-л-пере-хід. У р-л-переході заряди поділяються: під дією поля електрони

перекидаються в л-область, а дірки відкидаються в p-область. Це означає, що під час освітлення між електродами виникає електрорушійна сила (фото-ЕРС), величина якої досягає приблизно

0,5 В. Після замикання електродів такий елемент може створювати струм до 25 мА з кожного см2 освітлюваної поверхні. Найбільша чутливість кремнієвих фотоелементів припадає на зелені промені, що зумовлює досить високий їх ККД та широке використання.

Дайте відповіді на запитання

1. Що називають внутрішнім фотоефектом? У чому полягає принципова відмінність між зовнішнім і внуїрішнім фиіиефекіами?

2. Що називають фотоелементом? Який принцип дії фотоелемента із зовнішнім фотоефектом ?

3. Що таке фоторезистор? Який його принцип дГі? Як і де використовують фото-резистори?






^